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애란 방
5 years ago
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1 CHAPTER 3 Water:The Medium of Life 물분자의구조비공유결합의종류물의열성질물의용매성질

2 Introduction to Water 생체내 70% 이상존재 (50-95%) Biomolcule의용매영양소운반, 대사에서의효소촉매반응, 화학적 energy 전달등매질의역할녹는점, 끓는점, 기화열이높아자연계에서액체상태로존재 생명탄생의근원 물분자내부에응집력이크다. 화학적으로매우안정적이다 H+ 와 OH- 를생성 biomolecule의성질에매우중요한역할특히, 효소의촉매반응은 ph (H+ or OH-농도 ) 에민감하게반응한다

3 Summary of Water : 물의특성요약 1. 물분자의용매성질은분자구조와전기적쌍극자에의해결정된다 2. 산소분자 1개 + 수소분자 2개로이루어진 sp3 혼성입체 4면체 (Fig 3.1) 3. 실온에서 1개의물분자는약 3.4개의물분자와결합하며격자형태이다 녹는점이비교적높다는것을의미 4. 물분자는극성 ( 전자의분포가동일하지않고비대칭 ) 을띤다 즉전기적으로산소는부분적음전하 (-) 수소는부분적양전하 (+) 이러한형태의분자를전기적으로쌍극자 dipole 이라한다 5. 물분자의전자가결핍된수소 (+) 가다른분자에이끌려가는현상 ( 즉극성분자간의정전기적상호작용 ) 을수소결합이라하며이는비공유결합형태이다비공유결합은분자간의전자를공유하는결합 ( 공유결합 ) 보다매우약한결합이다. (Table 3.1) 수소결합 4.5 Kcal/mole 20 KJ/mole 공유결합 110 Kcal/mole 460 KJ/mole 6. 액체상태에서물분자는수소결합의분해와생성이반복된다. 생체반응에매우중요한역할 7. 물분자는극성이기때문에기화열이높다. 비극성인벤젠은정전기적힘이약해기화열이낮다

4 Noncovalent Interaction 비공유결합의종류 1. Ionic interaction 이온화작용 : 상반되는전하, 원자, 화학 group 간에당기는힘 Na + + Cl - 전하를띠고있는아미노산 side chain 간의당기는힘 (salt bridge 라고한다 ) -COO- + H3Nglutamic acid -CH2CH2COO- + Lysine -CH2CH2CH2CH2NH3+ Protein folding ( 단백질접힘 ) Enzyme catalysis ( 효소촉매 ) Molecular recognition ( 분자인식 ) 2. Hydrogen bond 수소결합 : 공유결합보다는약하지만비공유결합중에는가장강한결합형태물분자간의분열에높은 energy를필요로함 녹는점, 끓는점, 기화열이높다 3. Van der Waals force 반데르발스힘 : 비교적약한결합일시적인정전기적힘에의해끌리거나반발하는힘 기체, 액화또는기체등에서중성인분자들을서로끌어당기는상대적으로약한전기력. 분자간의힘 ( 서로당기는인력 ) 으로실제기체들의특성을설명

5 Hydrogen bond 수소결합 : 물분자간의결합은수소결합이다 1. 물분자의전자가결핍된수소 (+) 가다른분자에이끌려가는현상 ( 즉극성분자간의정전기적상호작용 ) 을수소결합이라하며이는비공유결합형태이다비공유결합은분자간의전자를공유하는결합 ( 공유결합 ) 보다매우약한결합이다. (Table 3.1) 수소결합 4.5 Kcal/mole 20 KJ/mole 공유결합 110 Kcal/mole 460 KJ/mole 2. 액체상태에서물분자는수소결합의분해와생성이반복된다. 생체반응에매우중요한역할

6 3. 수소결합은 H2O - H2O 뿐만아니라생체계에서공통적으로존재한다. -O-H -O-H -O-H -N-H -N-H -N-H O=C N O O=C N O DNA 염기간의결합은대표적수소결합이다 A T G C 2중수소결합 3중수소결합 4. 수소결합은방향성이있으며정전기적상호작용이최대일때결합이가장강하다 δ+ H O δ- δ- O H δ+ H δ+ H δ+ O δ- O δ- δ+ H H 강한결합형태 δ+ H H δ+ δ+ 약한결합형태

7 7. 물분자는극성이기때문에기화열과열용량이높다. 비극성인벤젠은정전기적힘이약해기화열이낮다. 기화열 : 1 기압 1mole 의액체를기화하는데필요한에너지 열용량 : 온도 1 변화를위해첨가또는제거해야하는에너지 물의열성질 ( 높은 melting point와 boiling point) 은 : 1. 상온에서항상액체상태를유지하며 2. 온도변화속도가늦어 3. 기후환경적측면에서는기온을유지케하며 육지 바다 4. 동물과식물등생물의온도조절에기여한다 식물 증산작용 동물 땀, 소변

8 물의용매성질 8. 다양한 biomolecule 의용매 극성성질과 다양한 ion 과결합할수있는수소결합능력에의함 Polar molecule ( 물 ) Polar molecule ( 친수성 ) H + OH - non-polar molecule ( 소수성 ) 친수성분자와의반응 극성분자를의미 소수성분자와의반응 비극성분자를의미 양극성분자와의반응 극성과비극성을모두갖는분자를의미

9 동일양의용질이용매에존재한다하더라도 용질의이온화정도에따라삼투압은달라진다 ( 즉, 삼투압은이온화정도에비례한다 ) 비이온화물질 0 % 이온화 100% 비이온화 i = = % 이온화 90% 비이온화 i = = % 이온화 50% 비이온화 i = = % 이온화 20% 비이온화 i = = % 이온화 0% 비이온화 i = = 2.0

10 생물에서의삼투압의역할 식물의경우 수액의흡수와이동 세포의크기조절과물질대사에관여 Macromolecule (ex, protein) 은세포내낮은농도로인해삼투몰농도에영향을주지않음 But, protein의 side chain에있는 ion화 group은삼투몰농도에영향을준다 protein ion화세포내 ion 농도높아짐 Donnan cell 내부와외부의 ion 농도가달라져 electrical gradient ( 전기구배, 전기적차이 ) 가생김 Effect ion 농도를맞추기위해외부로부터의물유입 ( 삼투현상 ) 세포크기증가팽압증가식물세포의경우세포의생장과팽창유도 막기능능동수송, 전기전도, 수동수송등을조절 물의유입 동물세포파괴 Cell 고장액 Na + Cl- Na + Cl- 능동수송에의한 ion 의방출많은 energy를필요로함 Na + Na + Cl- Na + Cl- 물의방출 Na + 원래의세포크기

11 Cell volume regulation & metabolism 고장액 저장액 세포는능동수송에의한 ion 화물질이동과 연속적인삼투현상에의한물의이동으로 세포내부와외부의 ion 농도를일정하게유지하여 삼투평형을유지함으로써 세포의크기를조절하고 등장액 세포를보호한다 능동수송 Na pump 고 energy 필요

12 반응속도론 반응속도는용질농도의곱에비례 평형상수의정의 : 가역반응에서정반응과역반응의속도비가같은점 VF = VR Keq VF 가역반응 A + B C + D VR VF = KF [A] [B] VR = 평형 VF = VR KR [C] [D] KF [A] [B] = KR [C] [D] 동일한반응계에서반응은 (1) 에너지 ( 엔탈피 ) 는낮아지는방향으로 (2) 무질서도 ( 엔트로피 ) 는증가하는방향으로 진행하여반응평형을이루려한다. 이는반응평형뿐만아니라모든자연현상에공통적으로적용된다. (3) 반응상수는일정한온도에서일정한값을가지며온도가변하면상수도변한다 (4) 반응상수는단위를갖지않는다. ( 반응의농도값이아닌활동도를나타내기때문이다 ) KF KR = [A] [B] [C] [D] 반응물과생성물의농도로써평형상수를구한다 Keq = [A] [B] [C] [D] 즉, 가역반응에서정반응과역반응에관련된물질의농도가같은경우

13 H2O 의경우 H2O VF VR H+ + OH- VF = KF [H2O] VR = KR [H+] [OH-] 평형 VF = VR KF [H2O] = KR [H+] [OH-] KF KR [H+] [OH-] = [H2O] 농도로써평형상수를구한다 H 분자량 = 1 O 분자량 = 16 H2O 분자량 = 18 H2O의농도 = 1L 안의용질의 g수를분자량으로나눈값 = 1L (1000g)/18 = 55.M Keq = [H+] [OH-] [H2O] = [H+] [OH-] [H2O] = [H+] [OH-] 55.6 Kw (ion product of water) = Keq X 55.6 = [H+] [OH-] = 1.0 X ~ X at 25 Keq 는상수값이니알아둘것 1.8 x 55.6 = 100 = 10 2 X = 10-14

14 [H+] [OH-] = 1.0 X 순수한물의수소이온농도 [H+] = [OH-] = = 10-7 M ph = log 1 [H+] = -log [H+] 10-7 M 비누 ph = log 1 = -log [10-7 ] = - (-7) = 7 [10-7 ] 혈액 poh = log 1 [OH-] = -log [OH-] 10-7 M 1 poh = log = -log [10-7 ] = - (-7) = 7 [10-7 ] ph + poh = 14 ph 는수소이온농도의 log 값이므로 1 의변화는농도 10 배에해당한다 위산

15 ph 의중요성 세포내환경에서의수소이온농도는매우중요하다. 세포내 bio-molecule은적정수소이온농도에서활성을갖는다. 세포환경의급격한수소이온농도변화는, 다양한생리적대사과정과관련된생화학적반응에교란을주게된다. 생화학반응에는약산과약염기의작용이더중요하다. 강산과강염기는수용액상태에서이온화정도가높은반면약산과약염기는이온화정도가낮아완충역할을할수있다. 세포환경 ( 수용액 ) 에서 ph를유지하려는역할을하는것이완충용액이다.

16 세포의생리적 ph ( 수소이온농도 ) 조절 완충작용 산과염기의정의 (BrÖnsted 의산 - 염기정의 ) Acid ( 산 ) 양성자, 수소공여체 H+ 를주는쪽 ( 수소수가많아 ph 는낮다 ) 전자 (e-) 수용체 Base ( 염기 ) 양성자수용체, H+( 전자 ) 를받는것 ( 수소수가적어 (OH 가많다 ) ph 가높다 ) 전자 (e-) 공여체 물질의반응에는 H+ 를주면받는쪽이생기고받으려면주는쪽이있어야하므로산 - 염기반응은동시에일어난다 A H + B- A- + BH Acid base base acid 짝산 짝염기 강산과강염기 : 수용액에서 100% 이온화되는것 ( 이온화정도가큰것 ), 해리상수가높다 HCl + H2O H3O+ + Cl- H+ + H2O 의상태 HCl H+ + Cl- 로표시 약산과약염기 : 수용액상태에서 100% 이온화되지않으며 ( 해리상수가낮다 ) NH3 R COOH - R

17 완충용액 인간의혈액은 ph 7.4 가정상 르샤르트르원리 높은경우알칼리혈증 (alkalosis) 낮은경우산독증유발 (acidosis) 대사계에혼란을초래 평형상태의반응은반응에변화를주면그변화를제거하려는방향으로평형이다시일어난다 생물은완충용액으로생리적 ph 를조절한다 산화 H+ 첨가시 acetic acid 쪽으로변화 환원 OH- 첨가시 acetate 쪽으로변화 완충용액의농도 : 약산과그짝염기의총합완충용량 : 완충용액이특정 ph를유지하는능력 1. 짝산-짝염기몰농도 2. 짝산-짝염기의비율에따라달라진다

18 세포내화학반응은산화와환원과정을포함한다 산화 : 물질이산소와화합하거나수소를잃는반응전자를빼앗기는변화또는화학반응 환원 : 산화의역반응물질이산소를잃거나수소를얻는과정전자를얻는변화또는화학반응 환원제 (Reducing agent) = 전자공여체 (electron donor) 산다른물질은환원을일으키고스스로는산화하는 ( 수소및전자를뺏기는 ) 물질 H 2 ( 수소 ), CO( 일산화탄소 ), H 2 S ( 황화수소 ) 산화제 (Oxidizing agent) = 전자수용체 (electron acceptor) 염기다른물질은산화시키고스스로는환원하는 ( 수소및전자를얻는 ) 물질질산화합물 ( 염 )(HNO 3 ), 크롬산 ( 염 )(CrO 3 ), 과산화물 (H 2 O 2 ), 산소 (O 2 ), 오존 (O 3 ), 염소 (Cl 2 ) 등반응조건에따란환원제역할환원제가전자를주면산화되고받으면환원되는데산화와환원은항상함께일어난다

19 산화 전자 (e-) + H+ 환원 전자공여체 전자수용체 4e- + 4 H + O2 2H2O 1) 한분자 ( 원자, 이온 ) 가산소를얻거나수소 ( 전자 ) 를잃는경우산화라한다 환원된상태염기 (base) 전자수용체 = 산화제 H+ 산화 = 수소를잃음 산화된상태산 (acid) 수소 ( 전자 ) 를잃고산소를얻은상태 2) 한분자 ( 원자, 이온 ) 가산소를잃거나수소 ( 전자 ) 를얻는경우환원이라한다 산화된상태산 (acid) H+ 환원 = 수소를얻음 환원된상태염기 (base) 전자수용체 = 산화제 수소 ( 전자 ) 를얻고산소를잃은상태

20 산화와환원과정은전자전달계와광합성과정등다양한생합성경로에서물질과에너지의생성에관여한다 NADPH 의산화 광합성의암반응 ( 캘빈회로 ) 1,3-bis-phosphoglycerate glyceraldehyde-3-phosphate NADPH NADP + + Pi 수소를잃음 NADP 의환원 Embden-Meyerhof pathway glyceraldehyde glycerate NADP + + Pi NADPH 수소를얻음

21 Nicotinamide 전자전달에관여하는조효소 Adenine Dinucleotide Phosphate

22 약산과약염기의반응 HA H+ + A- Ka ( 해리상수 ) = [H+] [A-] [HA] ( 산 ) 해리상수 = 이온화상수 = 이온화반응의평형상수 = 산이나염기의세기를알수있다. 약산과약염기는해리상수가낮다 ( 이온화정도가낮다 ) 산의탈수소화 (deprotonation) 반응에있어반응상수 K 는산해리상수 (acid dissociation constant) 인 K a [H+] = Ka [HA] [A-] [HA] -log [H+] = -log (Ka ) [A-] = -log Ka - log ph = pka - log = pka + log [HA] [A-] [HA] [A-] [A-] [HA] = pka + log 1 = pka + 0 ph = pka ph = -log [H+] poh = -log [OH-] [A-] = pka - log (- ) [HA] 두농도가같은경우 해리된두이온의농도가같은지점에서의 ph 값을 pka 로정의하며이는해리된두물질농도의 log 값이다. 약산과약염기의완충영역을알아내는데이용됨

23 아세트산의이온평형 H + 환원 H + 산화 환원된상태수소를얻은상태 H + 환원

24 Table 3.4 약산의해리상수 Ka 와 pka 아세트산탄산중탄산젖산 인산 인산이수소

Chemistry: The Study of Change

Chemistry: The Study of Change 산 - 염기평형및 용해도평형 16.2 공통이온효과 16.3 완충용액 16.4 산 - 염기적정 16.5 산 - 염기지시약 16.6 용해도평형 16.8 공통이온효과및용해도 16.9 ph 및용해도 16.10 착이온평형및용해도 16.7 분별침전에의한이온의분리 Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required